Wasserstoff sicher nutzen: Diese Sensoren machen es möglich
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM haben verschiedene Sensorsysteme entwickelt, mit denen sie Lecks in Wasserstoffleitungen und -tanks erkennen können. Die Technologien ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung von Wasserstofftransporten und Anlagen in der chemischen Industrie.
Der neu entwickelte Ultraschallsensor ist in der Lage, Wasserstoff-Behälter, -Leitungen oder -Verbindungsstücke zu überprüfen.
Foto: Fraunhofer IPM
Wasserstoff ist gasförmig, dabei unsichtbar, geruchlos, leicht brennbar und explosiv. Geht es darum, eine sichere Infrastruktur aufzubauen, sind dazu auch zuverlässige Technologien notwendig, mit denen sich Leckagen in Leitungen, Speichern und Anschlussstellen aufspüren lassen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg haben genau für dieses Einsatzszenario spezielle Sensor- und Messsysteme entwickelt.
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Die Technologien sind in der Lage, selbst geringste Mengen an ausströmendem Wasserstoff präzise zu identifizieren und somit potenzielle Gefahrenquellen schnell zu lokalisieren. Um den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff gerecht zu werden, haben die Fraunhofer-Forschenden drei unterschiedliche Sensorsysteme konzipiert: einen Ultraschallsensor mit photoakustischem Effekt, einen Laserspektrometer und die Raman-Spektroskopie.
Sensoren für Wasserstoff: vielseitig und präzise
Das erstgenannte System nutzt den photoakustischen Effekt, bei dem Licht das Gas zum Schwingen anregt und dadurch eine Ultraschallwelle erzeugt. Gelangt Wasserstoff durch eine Membran in das Sensorgehäuse, kommt es zu einer messbaren Veränderung der Resonanzfrequenz. MEMS-Mikrofone registrieren diese Tonverschiebung und ermöglichen so die Detektion von austretendem Gas aus Tanks oder Leitungen. MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme. Laut Carolin Pannek, Leiterin des Teilprojekts Sichere Infrastruktur am Fraunhofer IPM, eignet sich dieser Sensor für die Überprüfung von Behältern, Rohrleitungen und Verbindungsstücken. Durch die Vernetzung mehrerer Geräte zu einem Sensornetzwerk sei auch eine flächendeckende Überwachung möglich.
Die reine Erkennung von Leckagen ist nicht das einzige, das der Ultraschallsensor leisten kann. Da er äußert genau arbeitet, erkennt er nach Aussage der Forschenden selbst minimale Verunreinigungen des Wasserstoffs durch Fremdmoleküle. Diese Fähigkeit ist insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellen von großer Bedeutung, da diese ausschließlich mit absolut reinem Wasserstoff betrieben werden und durch kleinste Unreinheiten Schaden nehmen können. Solche Brennstoffzellen kommen zum Beispiel in Lkw zum Einsatz und erzeugen dort Strom. Hier kommt der Sensor zum Einsatz, um die Qualität des eingesetzten Gases kontinuierlich zu überwachen und sicherzustellen. Dank seiner Vielseitigkeit und Präzision eröffnet der Ultraschallsensor somit neue Möglichkeiten für die sichere Nutzung von Wasserstoff in verschiedensten Bereichen.
Laserspektrometer als Sensor für Wasserstoff
Eine weitere Innovation vom Team des Fraunhofer IPM ist ein Laserspektrometer. Er kann vor allem aus der Ferne das Trägermittel Ammoniak erkennen. Dieses Gas ist zwar einerseits wichtig, weil es Speicherung und Transport von Wasserstoff deutlich vereinfacht, andererseits ist es aber eben auch besonders giftig. Das entwickelte Laserspektrometer absorbiert die Wellenlänge von Ammoniak und zeigt das Ergebnis unmittelbar auf einem Display an. „Fachkräfte können das kompakte Gerät in der Hand halten und so Rohrleitungen oder Tanks aus sicherer Entfernung von bis zu 50 Metern prüfen. Auf Roboter oder Drohnen montiert prüft es Industrieanlagen oder fliegt über Pipelines“, sagt Pannek.
Raman-Spektroskopie: Sensoren erkennen Wasserstoff
Als dritte Technologie haben die Fraunhofer-Forschenden die Raman-Spektroskopie weiterentwickelt, um Wasserstoff in komplexen Medien selektiv auszumachen. Dieses Verfahren basiert auf der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, bei der das reflektierte Licht eine andere Wellenlänge aufweist als das eingestrahlte Licht. Auf diese Art und Weise entsteht bei der Materie ein spektroskopischer Fingerabdruck. Durch jahrelange Erfahrung in der Entwicklung von Raman-Systemen ist es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, einen filterbasierten Raman-Sensor zu konstruieren, der kostengünstige Komponenten wie eine CMOS-Kamera nutzt (CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor). Das mobile Gerät eignet sich als flexible Prüfstation zur Quantifizierung von Wasserstoff, beispielsweise bei dessen Erzeugung in der Energiewirtschaft.
Ein wesentlicher Vorteil der am Fraunhofer IPM entwickelten Sensorsysteme liegt in ihrer Flexibilität. Die Geräte sind so konzipiert, dass sie an verschiedene Anwendungsszenarien angepasst werden können: ob in der Industrie, bei Energieversorgern oder in Wasserstoffprojekten. Projektleiterin Carolin Pannek sieht in den innovativen Technologien einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft: „Der Startschuss für den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur kann fallen.“
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